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20世纪90年代以来,森林可持续经营已成为世界各国林业发展的核心,即在综合考虑森林经营所产生的经济效益、生态效益和社会效益的同时,不造成未来森林产品和服务功能下降的经营措施[1-2]。国内外学者围绕森林可持续经营理论已做了大量研究,提出了近自然林业、森林永续利用、林业分类经营和森林多效经营等经营手段,取得了丰硕的研究成果[3-7]。
鉴于空间结构的可调控性,调整林分空间结构已成为森林可持续经营的重要途径之一[8]。林分空间结构一般定义为树木及其属性在空间的分布,具体包括林木空间分布形式、大小分化程度、树种隔离程度和林木密集程度4个方面[9]。空间结构决定了树木竞争势和生态位,并进一步决定林分的稳定性、发展的可能性和经营空间大小,因此基于林分空间结构来优化森林经营方案是国内外学者研究的重要方向[10-13]。
采伐是一项重要的森林生态系统经营措施,通过采伐不仅能促进林分更新和增长,还能显著影响林分结构变化[14-15]。开展抚育采伐的相关研究可以明确群落中物种空间分布和种间关系,提高对干扰后森林恢复和演替过程中森林群落结构、种间关系变化过程的认识[16-17]。
近年来关于采伐干扰对林分空间结构的影响也有报道,有学者对不同采伐强度下阔叶红松(Pinus koraiensis)林、云冷杉(Picea-Abies)林、辽东栎(Quercus wutaishanica)天然林和思茅松(Pinus kesiya var. langbianensis)天然林进行了研究,均认为适当的采伐强度有利于更合理的林分结构,不过普遍存在研究样地偏小的问题,导致代表性较弱[18-22]。
温带针阔混交林广泛分布于俄罗斯、中国、朝鲜和日本等地区,是我国东北林区最重要的森林类型之一[23-24],其中大部分针阔混交林群落是经过早期的人为干扰,如过渡采伐、放牧等活动后退化形成的次生林群落[25]。目前针对针阔混交林开展了大量关于林分更新、物种多样性和碳储量等方面的研究[26-28],但是关于采伐干扰对针阔混交林的空间结构的影响报道较少,而探究采伐活动对温带针阔混交林空间结构的影响对东北地区森林可持续经营发展具有重要意义,亟需更多相关研究提供实证。
本文以吉林蛟河温带针阔混交林为研究对象,选择基于相邻木关系的角尺度、大小比数、混交度和密集度4个林分空间参数,分析在不同采伐强度干扰下林分和主要树种的空间结构变化情况,以期为针阔混交林空间结构优化和可持续经营提供借鉴。
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研究地区位于吉林省蛟河林业实验区管理局,地理坐标为43°57′31″~43°58′03″N、127°43′27″~127°44′40″E,属长白山系,张广才岭支脉断块中心地貌,最高海拔517 m,最低海拔300 m。气候类型为受季风影响的温带大陆性山地气候,年均温3.8 ℃,其中最热7月平均温度21.7 ℃,最冷1月平均温度-18.6 ℃;年平均降水量为700~800 mm,土壤为山地暗棕色森林土,土层深度范围为20~100 cm,森林群落类型为典型的次生针阔混交林。主要乔木树种包括:春榆(Ulmus davidiana var. japonica)、红松、色木槭(Acer mono)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、紫椴(Tilia amurensis)、胡桃楸(Juglans mandshurica)、白牛槭(Acer mandshuricum)、蒙古栎(Quercus mongolica)、等。主要灌木树种包括:暴马丁香(Syringa reticulata var. amurensis)、刺五加(Eleutherococcus senticosus)、忍冬(Lonicera japonica)、毛榛(Corylus mandshurica)等[29]。
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2011年7月,在林分条件相对一致的近熟林内建立了4块面积均为1 hm2的固定监测样地,每块样地相距100 m,并用全站仪将每块样地划分为25个20 m×20 m的连续样方。对样地内所有胸径1 cm以上的木本植物进行调查并记录物种名称、胸径、冠幅、树高以及坐标信息,并挂牌标记。
经吉林省林业厅批准,于2012年冬季对4块固定监测样地进行采伐处理,根据胸高断面积确定理想采伐强度分别为:1号样地0%(对照,CK)、2号样地15%(弱度采伐,LT)、3号样地30%(中度采伐,MT)和4号样地50%(重度采伐,HT)。采伐木具体确定方法是根据相邻木距离、树种以及林木大小来确定采伐木,按照目标树单株林分作业方法进行,去除相邻木距离太近的1株或多株林木,树种尽量去除先锋树种或者个体数量较多的树种,生长状况不良、霸王树等林木优先去除,采伐木大小决定采伐木胸高断面积。总体采伐原则为间密留匀,留优去劣,使林木分布均匀、林分结构更为合理[30-31]。经采伐后复测,实际采伐强度分别为:0%、14.3%、29.4%和50.4%。2015年7月对样地进行复测,调查所有保留木的胸径、树高、冠幅等因子在采伐后3年的变化,并利用这些特征值计算空间结构参数,分析采伐处理对该次生针阔混交林空间结构的影响[32]。
表 1 采伐前样地林分特征
Table 1. Topography and stand characteristics before thinning of four plots
采伐类型
Thinning type地理坐标
Location海拔
Altitude/m坡向
Slope aspect坡度
Gradient/(°)林分密度/(株·hm-2)
Stand density/(stem·ha-1)平均胸径
Mean DBH/cm平均树高
Mean tree height (H)/m胸高断面积
Basal area at breast height/m2郁闭度
Canopy densityCK 43°57′59″N
127°43′28″E453 NE 1 1 106 14.6 9.7 30.07 0.9 LT 43°57′57″N
127°43′34″E443 NE 4 1 045 13.9 9.6 29.47 0.9 MT 43°57′54″N
127°43′27″E430 NE 5 1 007 14.8 9.7 30.38 0.9 HT 43°57′52″N
127°43′33″E447 NE 3 1 298 12.4 8.8 30.47 0.9 注:CK为对照,LT为弱度采伐,MT为中度采伐,HT为重度采伐。下同。Notes:CK indicates control,LT indicates low thinning treatment,MT indicates moderate thinning treatment and HT indicates high thinning treatment. Same below. 表 2 样地采伐后林分特征及采伐强度
Table 2. Stand characteristics after thinning and thinning intensity of four plots
采伐类型
Thinning type林分密度/(株·hm-2)
Stand density/(stem·ha-1)平均胸径
Mean DBH/cm平均树高
Mean H/m胸高断面积
Basal area at breast height/m2郁闭度
Canopy density胸高断面积强度
Intensity of basal area at breast height/%CK 1 106 14.6 9.7 30.065 0.9 0 LT 844 13.77 9.8 24.391 0.8 14.3 MT 726 14.83 9.9 19.827 0.6 29.4 HT 717 12.69 8.9 14.668 0.5 50.4 -
将样地边缘内侧设置宽度为5 m的缓冲区进行边缘校正,消除边缘木对实验结果的影响,其中的林木只作为相邻木。因此,样地核心区面积为90 m×90 m。参照树与参照树周围4株距离最近的相邻木构成一个基本结构单元,进行角尺度、大小比数、混交度和密集度分析[33]。
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采用惠刚盈等[34]的角尺度(Wi)方法来描述树种的水平分布情况,分为均匀分布、随机分布和聚集分布,计算公式如下:
$$ {{M}_{i}}=\frac{1}{4}\sum\limits_{j=1}^{4}{{{z}_{ij}}} $$ (1) 式中:zij表示相邻木j与参照树i的夹角α是否小于标准角α0(α0=72°),当夹角α小于标准角α0时,zij=1;否则zij=0。
当计算林分整体或主要树种的平均角尺度(W)时,当W∈[0.475,0.517]时林分为随机分布,W<0.475时为均匀分布,W>0.517时为聚集分布[35]。
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通过大小比数(Ui)判断树种相对于相邻木的大小分化差异和所处地位的优劣[36]。本文采用胸径(DBH)计算,计算公式如下:
$$ {{U}_{i}}=\frac{1}{4}\sum\limits_{j=1}^{4}{{{k}_{ij}}} $$ (2) 式中:kij表示相邻木的胸径是否大于参照树,如果相邻木j的胸径大于参照树i,则kij=1;否则,kij=0。
此外,通过平均大小比数(U)反映林分整体优势木比例或主要树种在林分内的优势程度。
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通过混交度(Mi)描述树种间的隔离程度[37],计算公式如下:
$$ {{M}_{i}}=\frac{1}{4}\sum\limits_{j=1}^{4}{{{v}_{ij}}} $$ (3) 式中:vij表示相邻木与参照树是否为同一树种,当相邻木j与参照树i是同一树种时,vij=0;否则,vij=1。
此外,计算平均混交度(M)来判断林分整体或主要树种的混交程度,并认为混交度与林分稳定性呈正相关。
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通过密集度(Ci)描述树木之间冠幅与水平距离的关系,以此判断林木之间的疏密程度,计算公式如下:
$$ {{C}_{i}}=\frac{1}{4}\sum\limits_{j=1}^{4}{{{y}_{ij}}} $$ (4) 式中:yij表示相邻木j与参照树i的树冠投影是否相互重叠,当投影重叠时,yij=1;否则,yij=0。
此外,通过计算林分平均密集度(C)来判断林分整体或主要树种的密集程度,密集程度的高低反映了林木间竞争激烈与否,计算时加入格局因子(λWi),λWi的赋值根据相同林木的角尺度Wi的取值来确定[38]。
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通过林分空间结构分析软件Winkelmass计算林分的角尺度、大小比数和混交度;利用R软件3.3.3计算林木密集度;最后,将计算结果导入Excel进行统计分析。
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图 2 不同采伐强度下各样地林木空间分布图
Figure 2. Spatial distribution of trees in each plot under different thinning intensities
4块样地角尺度频率分布及均值如表 3所示。角尺度平均值分别为0.524、0.519、0.540和0.532,均大于0.517,林分为聚集分布。从角尺度频率分布来看,4块样地中呈随机分布的林木单元占比均超过50%,说明大部分个体周围林木呈随机分布。综合来看,在林分水平,采伐干扰并未对林木分布格局产生根本性改变。比较而言,经LT处理后林分整体更趋向于随机分布,且个体单元中随机分布的比例相对较高。
表 3 不同采伐强度下角尺度频率分布及平均值
Table 3. Frequency distribution and mean value of neighborhood pattern under different thinning intensities
采伐类型
Thinning type频率分布
Frequency distribution平均值
Mean value0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 CK 0.003 0.203 0.577 0.125 0.091 0.524 LT 0.008 0.185 0.580 0.176 0.051 0.519 MT 0.004 0.175 0.561 0.175 0.085 0.540 HT 0.000 0.211 0.542 0.157 0.091 0.532 -
不同采伐强度处理下各样地大小比数频率分布及其均值如表 4所示。4块样地的大小比数平均值分别为0.495、0.487、0.488和0.498,4种采伐强度下林木整体大小分化程度均接近中庸。从大小比数频率分布上来看,4块样地的林木在各个频率所占比例都在20%左右,采伐对林分分化程度的影响较小。
表 4 不同采伐强度下大小比数频率分布及平均值
Table 4. Frequency distribution and mean value of neighborhood comparison under different thinning intensities
采伐类型
Thinning type频率分布
Frequency distribution平均值
Mean value0 0.25 0.50 0.75 1.00 CK 0.216 0.184 0.202 0.200 0.198 0.495 LT 0.216 0.191 0.208 0.202 0.183 0.487 MT 0.199 0.216 0.207 0.190 0.188 0.488 HT 0.194 0.213 0.199 0.199 0.196 0.498 -
不同采伐强度处理下各样地混交度频率分布及均值如表 5所示。4块样地的平均混交度分别为0.773、0.822、0.831和0.783,经过LT和MT处理后样地的混交度得到较大提高。与其他3种处理相比,经过MT处理后样地内处于极强度混交的林木比例最大,处于零度混交的林木比例最小,表明MT处理最有利于改善林分混交度。
表 5 不同采伐强度混交度频率分布及平均值
Table 5. Frequency distribution and mean value of mingling degree under different thinning intensities
采伐类型
Thinning type频率分布
Frequency distribution平均值
Mean value0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 CK 0.016 0.063 0.167 0.319 0.434 0.773 LT 0.006 0.034 0.138 0.310 0.512 0.822 MT 0.002 0.039 0.138 0.273 0.548 0.831 HT 0.007 0.061 0.174 0.306 0.451 0.783 -
不同采伐强度处理下各样地的密集度频率分布及其均值如表 6所示。4块样地的平均密集度分别为0.340、0.329、0.334、0.308。结果表明,采伐能够降低林木平均密集度,提高非常稀疏和比较稀疏的林木比例。
表 6 不同采伐强度下林分密集度频率分布及平均值
Table 6. Frequency distribution and mean value of crowding degree under different thinning intensities
采伐类型
Thinning type频率分布
Frequency distribution平均值
Mean value0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 CK 0.046 0.156 0.220 0.252 0.327 0.340 LT 0.062 0.159 0.259 0.221 0.299 0.329 MT 0.063 0.164 0.186 0.234 0.354 0.334 HT 0.076 0.206 0.228 0.203 0.287 0.308 -
主要树种通过计算重要值来确定[39],本文选取了重要值排在前5位的树种,分别是春榆、红松、色木槭、水曲柳和紫椴。
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主要树种在4块样地内的角尺度平均值如表 7所示。结果表明,春榆、水曲柳经LT处理后呈随机分布,其余均呈聚集分布;红松经CK和HT处理后呈随机分布,经LT处理呈均匀分布,经MT处理后呈聚集分布;色木槭经MT处理后呈随机分布,其余呈聚集分布;紫椴经HT处理后呈随机分布,其余呈聚集分布。不同采伐强度对主要树种,尤其是红松分布格局的影响存在显著差异。
表 7 不同采伐强度下主要树种角尺度平均值
Table 7. Mean value of neighborhood pattern of five main species under different thinning intensities
主要树种
Main species采伐类型
Thinning typeCK LT MT HT 春榆Ulmus davidiana var. japonica 0.521 0.508 0.542 0.531 红松Pinus koraiensis 0.508 0.469 0.564 0.512 色木槭Acer mono 0.546 0.532 0.514 0.574 水曲柳Fraxinus mandshurica 0.531 0.506 0.545 0.533 紫椴Tilia amurensis 0.520 0.526 0.530 0.510 -
各个树种在不同处理下平均大小比数如表 8所示。春榆的平均大小比数随采伐强度增大而增加,说明春榆逐渐从优势转变为劣势。红松经过CK和HT处理后处于劣势,经过LT处理后处于中庸,经过MT处理后处于优势,说明LT和MT处理有利于红松生长,HT处理对红松生长不利。色木槭在4块样地内都保持劣势,水曲柳在4块样地内都保持优势,2个树种的平均大小比数均在LT处理后达到最小值。紫椴在经过CK、LT、HT处理后都保持优势,但在MT处理后处于劣势,可能由于MT处理对紫椴采伐量较大。总的来说,LT处理后,主要树种在林分中的优势地位增强,竞争能力更高,LT处理有利于林分内主要树种的生长。
表 8 不同采伐强度下主要树种大小比数平均值
Table 8. Mean value of neighborhood comparison of five main species under different thinning intensities
主要树种Main species 采伐类型Thinning type CK LT MT HT 春榆Ulmus davidiana var. japonica 0.384 0.476 0.679 0.658 红松Pinus koraiensis 0.589 0.500 0.337 0.508 色木槭Acer mono 0.650 0.569 0.622 0.643 水曲柳Fraxinus mandshurica 0.141 0.100 0.262 0.151 紫椴Tilia amurensis 0.457 0.333 0.542 0.411 -
不同采伐处理后主要树种混交度平均值反映了采伐对树种分布状况的影响(表 9)。春榆经过CK、MT和HT处理后均处于中度向强度混交过渡状态,经过LT处理后处于强度混交向极强度混交的过渡状态。红松的平均混交度随着采伐强度的增加而降低,经过CK、LT和MT处理后处于强度向极强度混交过渡状态,经过HT处理后处于中度向强度混交过渡状态。色木槭的平均混交度随着采伐强度的增大而提高,经过CK、LT和HT处理后处于中度向强度混交过度状态,经过MT处理后处于强度向极强度混交过渡状态。水曲柳和紫椴在4块样地内均处于强度向极强度混交过渡状态,水曲柳的平均混交度较紫椴均更高。总的来说,4块样地内的5个主要树种的混交度都较高,适度采伐会使更多树种保持较高的混交度,过度采伐可能会使部分树种混交度降低。
表 9 不同采伐强度下主要树种混交度平均值
Table 9. Mean value of mingling degree of five main species under different thinning intensities
主要树种
Main species采伐类型
Thinning typeCK LT MT HT 春榆Ulmus davidiana var. japonica 0.731 0.927 0.732 0.689 红松Pinus koraiensis 0.903 0.860 0.890 0.617 色木槭Acer mono 0.627 0.709 0.757 0.747 水曲柳Fraxinus mandshurica 0.938 0.911 0.820 0.882 紫椴Tilia amurensis 0.770 0.760 0.814 0.786 -
5个主要树种在4块样地内分布的密集程度如表 10所示。春榆、红松、色木槭和水曲柳的平均密集度经采伐后显著降低,说明采伐有利于降低以上4个树种的的密集程度。对于紫椴来说,后3种处理方式较CK处理有所提高,可能是因为采伐过程中紫椴的生长状况普遍较好,因此大部分紫椴得以保留,密集度提高。
表 10 不同采伐强度下主要树种密集度平均值
Table 10. Mean value of crowding degree of five main species under different thinning intensities
主要树种
Main species采伐类型
Thinning typeCK LT MT HT 春榆Ulmus davidiana var. japonica 0.338 0.294 0.296 0.260 红松Pinus koraiensis 0.371 0.390 0.337 0.229 色木槭Acer mono 0.325 0.318 0.326 0.280 水曲柳Fraxinus mandshurica 0.443 0.434 0.374 0.403 紫椴Tilia amurensis 0.342 0.424 0.349 0.419 -
基于结构化理论,维护良好的林分空间结构是森林可持续经营的基础,也是保护次生针阔混交林的前提[40]。利用角尺度、大小比数、混交度和密集度等林分空间结构参数对不同采伐强度处理后针阔混交林的空间结构进行了分析。经过CK处理,样地的空间结构表现为聚集分布,大小分化程度接近中庸,混交度处于强度混交状态,说明处于演替中后期的次生天然林的整体林分结构较好,这与曹丽娟等[41]、王敬等[42]、刘益曦等[43]的研究结果相似,说明不同纬度带的天然林的空间结构具有相似性。研究结果表明,采伐干扰对林分整体的分布格局和大小分化程度的影响均较小,其中LT处理对林木产生向随机分布发展的趋势,并且提高林木的优势程度,与马映栋等[20]、吴蒙蒙等[21]、赵中华等[40]的研究结果一致。林分平均混交度在采伐后增加,经MT处理后林木的混交度最大,HT处理反而降低了林木混交度,可能是因为过渡采伐干扰使物种丰富度大幅降低,群落变得不稳定,此结果与赵中华等[40]、陈辉荣等[44]对天然针阔混交林的空间结构的研究结果一致,但与周梦丽等[18]、吴蒙蒙等[21]关于阔叶红松林的研究结果相反,原因可能是对部分树种过度采伐造成。林分平均密集度随着采伐强度的增大而降低,密集度为0和0.25的林木比例逐渐增加,说明采伐能降低个体密度。
综合以上,采伐对林分整体空间结构的影响较小,其中LT处理对改善林分结构较有利,与朱玉杰等[45]对大兴安岭落叶松林的研究结果一致。此外,关于采伐强度促进林分最优空间结构的研究结果也存在不同观点,例如:李婷婷等[46]对人工林的研究表明,采伐强度为62%的油松混交林具有更好地林分结构,本文研究结果与上述结果存在差异,可能是因为相对于天然林而言,人工林的初始造林密度大、树种单一,需要高强度的采伐干扰才能达到优化林分结构的目的;周建云等[47]对采伐6年后辽东栎种群的研究表明采伐强度为30%的林分空间结构更好,说明采伐强度对林分空间结构的影响可能存在时间尺度上的差异。
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从主要树种的水平分布格局来看,CK处理后的样地中,除红松呈随机分布之外,其他树种均呈聚集分布,这种分布格局与树种的生长习性有关,如水曲柳和紫椴偏好聚集在湿润地区,春榆和色木槭的种子具翅,易受风力影响形成聚集分布,红松的种子受动物搬运行为影响而呈现随机分布[24, 48-49]。采伐干扰对不同树种的影响不同,树种经过采伐干扰后能处于随机分布,说明采伐干扰对树种的分布格局有积极影响,其中春榆、色木槭和水曲柳通过LT或MT采伐干扰后由聚集分布变为随机分布,又随着采伐强度增加变为聚集分布,原因可能是林分稀疏产生林窗后为幼树的聚集生长提供有利条件[50]。此外,由于单个物种的分布格局也受林分内其他树种影响,因此不能仅仅通过单个树种的分布格局来确定采伐强度[21]。
采伐干扰对树种的大小分化程度和混交度影响显著,通过采伐可以促进红松、水曲柳、紫椴等建群树种在林分内的优势度从而加快向顶级群落演替的进程[51]。春榆在LT处理后处于优势地位并且混交度显著提高,说明LT处理有利于春榆的生长,也可能是采伐后个体数量较少并且与其他树种伴生所致。MT处理后红松的优势度显著提高,在林分内处于亚优势地位,混交度也仅次于对照样地,因此MT处理下红松更有优势,红松经HT处理后的平均混交度与前3块样地差异较大,可能由于采伐量较大。色木槭在4种采伐强度下均处于劣势,但在MT处理后混交度显著提高,说明MT处理有利于色木槭的生长。水曲柳在LT处理后处于最优势地位,混交度较强,说明LT处理有利于水曲柳的生长。紫椴在LT处理后最具优势,混交度虽然在MT处理后最高但在林分内处于劣势,表明LT处理最有利于紫椴的生长。
各个树种的平均密集度经不同强度采伐干扰后变化显著,其中春榆、红松和色木槭的平均密集度均降低,符合采伐规律。水曲柳在MT处理后最稀疏,但在HT处理后林分密集度升高,原因可能是采伐大量大径木后,为下层的喜光速生物种提供了较好的生存条件。紫椴经过采伐干扰后密集度增加,MT处理后紫椴的密集度与对照样地相近,说明MT处理比LT和HT处理更有利于紫椴的生长。
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森林经营的本质是对林分空间结构进行调控,通过调整不合理的或控制合理的林分空间结构达到发挥森林多种功能和森林可持续经营的目的。应用林分空间结构的分析手段探讨不同采伐强度下次生针阔混交林的空间结构变化具有重要实践意义,通过对以上研究结果的分析可知,采伐干扰对整体林分结构的影响较小,其中LT处理(14.3%)相对最有利于改善林分空间结构,并改善大部分主要树种的空间结构,据此建议采伐强度不要超过20%。
Effects of thinning intensity on spatial structure of multi-species temperate forest at Jiaohe in Jilin Province, northeastern China
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摘要: 探讨不同采伐强度下林分空间结构的变化对森林可持续经营具有指导意义。在吉林省蛟河次生针阔混交林内,设置采伐强度分别为0%(对照,CK)、14.3%(弱度,LT)、29.4%(中度,MT)和50.4%(重度,HT)的4块样地,样地面积各1 hm2,利用角尺度、大小比数、混交度和密集度4个林分空间结构参数探讨林分整体以及春榆、红松、色木槭、水曲柳和紫椴5个主要树种的林分空间结构在采伐3年后的变化。结果表明,从采伐干扰对林分整体的影响来看,LT处理后林分的水平分布格局更合理,混交度较高,林分结构相比CK处理更稳定;采伐干扰对林分大小分化程度的影响不显著;林木密集度随采伐强度增加逐渐降低,林内较稀疏的林木比例逐渐增加;从采伐干扰对主要树种的影响来看,不同树种对采伐干扰的响应差异显著,采伐对5种树种的水平分布格局均有显著影响,但对确定采伐强度不具指导意义;从树种的大小分化程度和混交度考虑,LT处理对春榆、水曲柳和紫椴更有利,MT处理对红松和色木槭更有利;除紫椴外其他树种的密集度随采伐强度的增加而降低。综合考虑,采伐干扰在短期内对林分整体的空间结构影响较小,对主要树种的空间结构影响较大,采伐强度在15%左右比较合理,也可以结合森林经营需求针对个别树种适当提高采伐强度,建议不超过20%。Abstract: Studying on the differences of spatial structure among different thinning intensity conditions has guiding significance for forest management. Four permanent plots were established in the secondary coniferous and broadleaved mixed forest in Jiaohe, Jilin Province of northeastern China, representing 4 different thinning intensity plots of 0% (control, CK), 14.3% (light treatment, LT), 29.4% (moderate treatment, MT) and 50.4% (high treatment, HT), with 1 ha area of each plot. Three years after thinning, we analyzed the neighborhood pattern, neighborhood comparison, mingling degree and crowding degree of forest, as well as the spatial structure of 5 main tree species, Ulmus davidiana var. japonica, Pinus koraiensis, Acer mono, Fraxinus mandshurica and Tilia amurensis. Our results showed that the horizontal distribution pattern of the whole stand after LT treatment was more reasonable, with higher mingling degree and more stable stand structure than the CK. The thinning has less impact on neighborhood comparison. The crowding degree decreased gradually with the increase of cutting intensity and sparse individual has an opposite result. In terms of the main tree species, the response to logging disturbance was different among species. Although logging had a significant effect on the horizontal distribution pattern of all the five species, the conclusion cannot be used to determine the intensity of logging. In addition, for the neighborhood comparison and mingling degree of these species, LT treatment was more beneficial to Ulmus davidiana var. japonica, Fraxins mandshurica and Tilia amurensis, while ML treatment was better for Pinus koraiensis and Acer mono. Furthermore, the crowding degree of all species decreased with the increase of logging intensity. In conclusion, we find that forest logging has a significant effect on the spatial structure of stands as well as the principal tree species in a short time, and 15% logging intensity is best for formatting a more reasonable stand space structure. We can also consider the forest management needs and increase logging intensity for individual species, but more than 20% logging intensity should not be advocated.
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表 1 采伐前样地林分特征
Table 1. Topography and stand characteristics before thinning of four plots
采伐类型
Thinning type地理坐标
Location海拔
Altitude/m坡向
Slope aspect坡度
Gradient/(°)林分密度/(株·hm-2)
Stand density/(stem·ha-1)平均胸径
Mean DBH/cm平均树高
Mean tree height (H)/m胸高断面积
Basal area at breast height/m2郁闭度
Canopy densityCK 43°57′59″N
127°43′28″E453 NE 1 1 106 14.6 9.7 30.07 0.9 LT 43°57′57″N
127°43′34″E443 NE 4 1 045 13.9 9.6 29.47 0.9 MT 43°57′54″N
127°43′27″E430 NE 5 1 007 14.8 9.7 30.38 0.9 HT 43°57′52″N
127°43′33″E447 NE 3 1 298 12.4 8.8 30.47 0.9 注:CK为对照,LT为弱度采伐,MT为中度采伐,HT为重度采伐。下同。Notes:CK indicates control,LT indicates low thinning treatment,MT indicates moderate thinning treatment and HT indicates high thinning treatment. Same below. 表 2 样地采伐后林分特征及采伐强度
Table 2. Stand characteristics after thinning and thinning intensity of four plots
采伐类型
Thinning type林分密度/(株·hm-2)
Stand density/(stem·ha-1)平均胸径
Mean DBH/cm平均树高
Mean H/m胸高断面积
Basal area at breast height/m2郁闭度
Canopy density胸高断面积强度
Intensity of basal area at breast height/%CK 1 106 14.6 9.7 30.065 0.9 0 LT 844 13.77 9.8 24.391 0.8 14.3 MT 726 14.83 9.9 19.827 0.6 29.4 HT 717 12.69 8.9 14.668 0.5 50.4 表 3 不同采伐强度下角尺度频率分布及平均值
Table 3. Frequency distribution and mean value of neighborhood pattern under different thinning intensities
采伐类型
Thinning type频率分布
Frequency distribution平均值
Mean value0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 CK 0.003 0.203 0.577 0.125 0.091 0.524 LT 0.008 0.185 0.580 0.176 0.051 0.519 MT 0.004 0.175 0.561 0.175 0.085 0.540 HT 0.000 0.211 0.542 0.157 0.091 0.532 表 4 不同采伐强度下大小比数频率分布及平均值
Table 4. Frequency distribution and mean value of neighborhood comparison under different thinning intensities
采伐类型
Thinning type频率分布
Frequency distribution平均值
Mean value0 0.25 0.50 0.75 1.00 CK 0.216 0.184 0.202 0.200 0.198 0.495 LT 0.216 0.191 0.208 0.202 0.183 0.487 MT 0.199 0.216 0.207 0.190 0.188 0.488 HT 0.194 0.213 0.199 0.199 0.196 0.498 表 5 不同采伐强度混交度频率分布及平均值
Table 5. Frequency distribution and mean value of mingling degree under different thinning intensities
采伐类型
Thinning type频率分布
Frequency distribution平均值
Mean value0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 CK 0.016 0.063 0.167 0.319 0.434 0.773 LT 0.006 0.034 0.138 0.310 0.512 0.822 MT 0.002 0.039 0.138 0.273 0.548 0.831 HT 0.007 0.061 0.174 0.306 0.451 0.783 表 6 不同采伐强度下林分密集度频率分布及平均值
Table 6. Frequency distribution and mean value of crowding degree under different thinning intensities
采伐类型
Thinning type频率分布
Frequency distribution平均值
Mean value0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 CK 0.046 0.156 0.220 0.252 0.327 0.340 LT 0.062 0.159 0.259 0.221 0.299 0.329 MT 0.063 0.164 0.186 0.234 0.354 0.334 HT 0.076 0.206 0.228 0.203 0.287 0.308 表 7 不同采伐强度下主要树种角尺度平均值
Table 7. Mean value of neighborhood pattern of five main species under different thinning intensities
主要树种
Main species采伐类型
Thinning typeCK LT MT HT 春榆Ulmus davidiana var. japonica 0.521 0.508 0.542 0.531 红松Pinus koraiensis 0.508 0.469 0.564 0.512 色木槭Acer mono 0.546 0.532 0.514 0.574 水曲柳Fraxinus mandshurica 0.531 0.506 0.545 0.533 紫椴Tilia amurensis 0.520 0.526 0.530 0.510 表 8 不同采伐强度下主要树种大小比数平均值
Table 8. Mean value of neighborhood comparison of five main species under different thinning intensities
主要树种Main species 采伐类型Thinning type CK LT MT HT 春榆Ulmus davidiana var. japonica 0.384 0.476 0.679 0.658 红松Pinus koraiensis 0.589 0.500 0.337 0.508 色木槭Acer mono 0.650 0.569 0.622 0.643 水曲柳Fraxinus mandshurica 0.141 0.100 0.262 0.151 紫椴Tilia amurensis 0.457 0.333 0.542 0.411 表 9 不同采伐强度下主要树种混交度平均值
Table 9. Mean value of mingling degree of five main species under different thinning intensities
主要树种
Main species采伐类型
Thinning typeCK LT MT HT 春榆Ulmus davidiana var. japonica 0.731 0.927 0.732 0.689 红松Pinus koraiensis 0.903 0.860 0.890 0.617 色木槭Acer mono 0.627 0.709 0.757 0.747 水曲柳Fraxinus mandshurica 0.938 0.911 0.820 0.882 紫椴Tilia amurensis 0.770 0.760 0.814 0.786 表 10 不同采伐强度下主要树种密集度平均值
Table 10. Mean value of crowding degree of five main species under different thinning intensities
主要树种
Main species采伐类型
Thinning typeCK LT MT HT 春榆Ulmus davidiana var. japonica 0.338 0.294 0.296 0.260 红松Pinus koraiensis 0.371 0.390 0.337 0.229 色木槭Acer mono 0.325 0.318 0.326 0.280 水曲柳Fraxinus mandshurica 0.443 0.434 0.374 0.403 紫椴Tilia amurensis 0.342 0.424 0.349 0.419 -
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